本文运用电磁场理论和现代计算方法,针对大型电力变压器中的三维瞬态、稳态涡流场与工程界普遍重视的降低附加损耗、防止局部过热和保证短路机械强度等问题,进行了全面、深入、系统的研究。取得了一些具有理论意义和工程实用价值的成果。 首先全面深入地总结了国内外在变压器稳态和瞬态涡流场问题、涡流损耗和线圈电磁力问题及相关的数值计算方法等研究领域的发展概况,针对与课题相关的理论和计算难题进行研究。为降低对计算机资源的需求、满足工程实用,研究和完善了三维瞬态涡流场的T—Ω有限元分域求解方法,研究了三维有限元网格剖分的快速逐层延拓法、矩阵存贮的快速寻址方法和大型代数方程组的快速解法,解决了大型变压器短路电磁力和局部过热等工程电磁场问题的实用计算方法。在此基础上,开发了功能完善、使用方便的计算软件,在16M内存图形工作站上成功地计算了节点数多达十万的大型复杂工程电磁场问题。 本文以DPF1-240000/500型等多台大型电力变压器为例,计算和分析了大型变压器突发短路时线圈所受电磁力的空间分布规律和随时间的瞬变过程。计算和分析工程设计中典型的变压器结构、多线圈排列方式、多种安匝分布方式下大型变压器突发短路时线圈所受电磁力的空间分布规律。同时分析了不同结构尺寸、不同材料等参数变化、不同屏蔽方式对线圈所受电磁力分布的影响,重点研究了线圈动态力问题和线饼受力产生的位移及其对电磁力的反作用,由此提出一些结论和建议,为大型变压器的优化设计提供参考依据。 本文还以SFP-360000/500(三相五柱式)和DFP1-240000/500等大型变压器为例,计算和分析了多种方案下的磁通、涡流、损耗的分布情况及结构件局部过热问题。分别得出了在油箱和屏蔽、夹件、压板、拉板等结构件和线圈内的漏磁和损耗的大小及其在空间的分布规律。分析了不同材料、不同结构尺寸和不同排列方式等参数变化对漏磁场和损耗变化的影响。基于局部过热判据,分析了油箱等金属结构件的局部过热问题,提出了改善这一问题的有效措施和具体建议。文中重点对组合屏蔽问题进行了分析,提出对工程有价值的新建议。 本文在研究分析当前关于测试技术的最新成就的基础上,提出了使用高速摄影机的短路强度测试方案。利用高速摄影机的快速反应能力,可以测出短路全过程中变压器绕组导线的位移和形变,以便对变压器线圈的机械强度和稳定性问题进行全面分析。